Лекция девятая. Солнце: активность в пространстве и времени.

Раз меня ты озадачил, Я скажу тебе в ответ, Что активность Солнца скачет Много миллионов лет. Николай Ланкевич Все пятнистей вставало Солнце, тыча вспышками, окружаясь кольцами концентрическими. Рванью пятен изборожденное, безжалостное, в телескопах изображение приближалось к нам. Плыл над пропастью шар земной в невесомости, и казалось: всему виной в небе Солнце. Но однажды погожим днем было выяснено, что исчезло одно пятно ненавистное. Солнце грело косым лучом тихо, просто, отболевшее, как лицо после оспы. Семен Кирсанов

Как ведут себя проявления солнечной активности? Как они распределены на поверхности солнечного шара? Меняется ли со временем их интенсивность? И наконец, – почему это происходит?

То, что пятна и окружающие их факелы появляются далеко не на всей поверхности Солнца, а только в пределах так называемых королевских зон (не дальше от экватора, чем на 35–40 градусов), выше уже говорилось. Это значит, что только в этом интервале широт происходят и вспышки (исключения крайне редки). Протуберанцы могут забираться подальше от экватора – до широт 50–60 градусов. На высоких широтах наблюдаются только так называемые полярные факелы и полярные корональные дыры.

Что касается распределения по долготе, то здесь следовало бы ожидать, что группы пятен располагаются равномерно. Но оказалось, что и здесь не все так просто.

Сделаем важное замечание. На сегодняшний день понятие группы пятен используется нечасто. Как правило, применяется комплексное понятие «активная область», которое включает в себя не только группу пятен (как своеобразный «скелет» активной области), но и окружающее пятна яркое факельное поле. В более высоких слоях солнечной хромосферы факелы проявляются в виде ярких флоккулов, а в хромосферных линиях видна, кроме того, обширная зона возмущенной структуры хромосферы, которая занимает гораздо бóльшую площадь по сравнению с участком, на котором располагаются пятна, и даже с участком, занятым факелами (флоккулами). Над линией раздела магнитных полярностей в активной области лежит, как правило, протуберанец. Его часть внутри активной области низкая и компактная, а другой конец, выходящий за пределы поля флоккулов, обычно приобретает вид высокого и диффузного образования, достигающего корональных высот. Наконец, в короне над активной областью ранее отмечалась так называемая корональная конденсация, которая с помощью современных средств наблюдения видна как система разноуровневых магнитных петель. Именно в активных областях с сильными магнитными полями и большими перепадами (градиентами) в напряженности поля происходят вспышки. Чем сложнее магнитная структура активной области, тем более мощной может оказаться вспышка.

Итак, активная область – это единая физическая система многих проявлений солнечной активности, имеющих магнитную основу и тесно связанных друг с другом.

Во второй половине ХХ века многие исследователи обратили внимание на то, что активные области возникают не всегда случайно. Неоднократно наблюдались ситуации, когда активные области возникали целыми «гроздьями», причем одни разрушались, а другие возникали на том же месте или совсем рядом. Такие системы получили название «комплексы активности». Наблюдения короны показывают, что высокие арки магнитного поля соединяют между собой разные активные области, входящие в один комплекс активности, – другими словами, это действительно физически единые магнитные системы. Продолжительность жизни комплексов активности в несколько раз превышает время существования индивидуальной активной области. Любопытно, что области постоянного пятнообразования внутри комплекса активности – их «ядра», иногда живущие больше года, – не смещаются в кэррингтоновой системе координат и не подвергаются действию дифференциального вращения. Это можно интерпретировать как связь комплексов активности (или, по крайней мере, их ядер) с глубинными структурами на уровне дна конвективной зоны. Выше уже указывалось, что начиная с этого уровня, согласно данным гелиосейсмологии, начинается жесткое, или твердотельное, вращение Солнца. Если представить себе структуру, «привязанную» к этому слою, так и будет: на поверхности Солнца она будет вращаться с кэррингтоновой скоростью! Что это может быть?

В 1970-е годы австралийский астрофизик Джордж Пиддингтон развивал концепцию «магнитных деревьев» – мощных жгутов сильного магнитного поля, вздымающихся со дна конвективной зоны до фотосферы. Эти гипотетические «магнитные деревья», «укорененные» на глубине 200 тысяч километров, естественно, должны вращаться с кэррингтоновой скоростью, неподверженные поверхностным смещениям вещества, которые управляются законами дифференциального вращения. В обиход гелиофизиков в те времена даже вошло словосочетание «пиддингтоновская ересь». Развивая эту концепцию, можно было вообразить ядро комплекса активности в виде «ствола» дерева, а рядом возникали новые активные области («ветки», или более тонкие жгуты поля, «отматывающиеся» от основного).

Эта идея претендовала на объяснение многих феноменов солнечной активности. Но появление и быстрый прогресс гелиосейсмологии показали, что, видимо, в основном пятна – все-таки не очень глубоко залегающие структуры: на глубине в несколько тысяч километров под пятнами неоднородности уже не «прощупываются». В связи с этим стало трудно представлять себе магнитные трубки, уходящие вертикально на глубину в две сотни тысяч километров…

Рис. 19. «Магнитное дерево», согласно гипотезе Дж. Пиддингтона, простирается сквозь всю конвективную зону Солнца. Сечения магнитных жгутов на уровне фотосферы проявляются как солнечные пятна.

Еще одна из версий: комплексы активности развиваются на основе гигантских крупномасштабных конвективных ячеек, занимающих все пространство от дна конвективной зоны до фотосферы. Такая ячейка может жить долго (много месяцев) и не смещаться в кэррингтоновой системе координат. Восходящий конвективный поток в центре ячейки может «вытягивать» на поверхность Солнца магнитное поле (которое помогает всплытию за счет своей собственной плавучести). В итоге в центре огромной ячейки может возникнуть долгоживущая магнитная структура типа комплекса активности. Изучение природы этих образований продолжается. Автор, который занимается изучением этих чрезвычайно интересных солнечных образований с начала 1980-х годов, полагает, что истина лежит на стыке двух описанных гипотез…

Комплексы активности привлекают интерес тем, что именно здесь происходят самые мощные солнечные вспышки, порождаемые процессами в сложных перепутанных системах магнитных полей находящихся рядом нескольких активных областей. Исследования моих коллег по цеху гелиофизиков, а также мои собственные, показывают, что комплексы активности – это места, где вспышки наиболее вероятны…

Исследование проявлений солнечной активности на протяжении нескольких десятилетий позволили обнаружить еще один интересный и во многом загадочный эффект.

На первый взгляд, возникновение активных областей на разных долготах происходит хаотично, чего и следует ожидать. Казалось бы, нет никаких оснований предполагать, что какие-то долготы Солнца должны отличаться от других с точки зрения интенсивности пятнообразования. Газовый шар Солнца представляется осесимметричным, и все долготы должны быть с этой точки зрения равноправными. Во всяком случае, так вроде бы должно быть при усреднении на временах, существенно бóльших, чем средняя продолжительность жизни единичной группы пятен…

Однако на практике дело обстоит иначе. Если мы будем суммировать число или общую площадь групп пятен за множество оборотов в разных диапазонах долгот, мы обнаружим, что на каких-то долготах пятна систематически возникают в бóльших количествах (либо с бóльшими площадями), чем на других. Попытки анализировать такие распределения на протяжении одного, двух и более циклов показывают, что существуют некие сравнительно стабильные, особые интервалы долгот, где групп пятен наблюдается больше, чем по соседству. Такие долготные интервалы получили название «активные долготы». Этим феноменом глубоко и серьезно многие годы занимался пулковский астроном Юрий Иванович Витинский.

Существование активных долгот известно давно, но по-прежнему вызывает некоторое недоумение. Строго говоря, причина их существования окончательно неизвестна до сих пор.

Одна из гипотез, которую предложили финские гелиофизики Джетсу, Похолайнен, Пелт и Туоминен, заключается в том, что в недрах Солнца (лучистом ядре) существует некое реликтовое (древнее) магнитное поле, и ось его симметрии не совпадает с осью вращения нашей звезды. Взаимодействуя с основным осесимметричным полем, оно должно приводить к наблюдаемому явлению северно-южной асимметрии солнечной активности и некоей неравномерности распределения магнитных структур по долготе.

Гипотеза была поддержана и развита отечественными исследователями Леонидом Леонидовичем Кичатиновым и Александром Вениаминовичем Мордвиновым. Они привели ряд результатов наблюдений, которые можно трактовать как свидетельства в пользу существования таинственного реликтового поля. В общем, идея выглядит интересной, но, мягко говоря, не является общепризнанной. Прозвучали и серьезные критические замечания в ее адрес.

Еще одно замечание по поводу феномена активных долгот заключается в следующем. Один из ведущих российских гелиофизиков Владимир Нухимович Обридко показал, что генерация магнитных полей активных областей в южном и северном полушариях происходит в определенном смысле независимо. Это значит, что выделение активных долгот (равно как и изучение статистики других проявлений солнечной активности) следует выполнять раздельно по южному и северному полушариям.

Таким образом, выделяются три уровня организации основных типов солнечной активности. Во-первых, это, конечно, активные области – основной «кирпичик» феномена. Во-вторых, это комплексы активности – системы из нескольких одновременно и последовательно возникающих активных областей. В-третьих, это так называемые «активные долготы» – некие интервалы долгот на Солнце, где активные области почему-то имеют обыкновение возникать чаще или оказываются более мощными. Такие интервалы существуют на протяжении многих десятилетий. Как указано выше, природа и механизмы образования многих типов солнечной активности, равно как и их свойства организовываться на солнечной поверхности так, как это происходит, окончательно не выяснены.

Теперь, когда мы знаем, как располагается проявление солнечной активности (активные области) в пространстве (на поверхности Солнца), обратимся к теме изменений солнечной активности во времени. Это значит, что пришла пора рассказать о ее цикличности.

Дело было в далеком 1826 году. В небольшом немецком городке Дессау жил некий аптекарь по имени Генрих Швабе (1789–1875), который, как утверждалось, тяготился доставшимся ему по наследству ремеслом. Когда это стало возможным, Швабе освободился, как от кошмара, от своего аптекарства, заказал в Мюнхене небольшой телескоп и занялся астрономическими наблюдениями. Гёттингенский астроном Гардинг посоветовал своему другу заняться систематическими наблюдениями солнечных пятен.

Этот совет оказался необычайно удачным. Дело в том, что появление и исчезновение пятен на Солнце вот уже два столетия считались абсолютно случайным процессом. Динамика пятен выглядела как капризная игра природы. Считать и зарисовывать пятна на Солнце казалось астрономам бессмысленным и совершенно безнадежным занятием – типа зарисовывания и подсчета облаков. Многие выдающиеся астрономы – например, Кассини, Лемонье, Лаланд, – утверждали, что в появлении и исчезновении пятен на Солнце невозможно увидеть какую-либо закономерность. Астроном Деламбр прямо утверждал, что «на пятна стоит посмотреть, но изучать в них нечего». Даже Гершель, большое количество времени потративший на изучение морфологии солнечных пятен и (справедливо) выражавший уверенность, что пятна являют собой важнейший симптом деятельности светила, признавал отсутствие каких-либо закономерностей в процессе появления пятен.

Сколько их еще было, подобных примеров в истории науки, когда выводы оказывались преждевременными!..

Неопытный астроном Швабе, конечно, и не подозревал, какое открытие ему предстоит сделать. Впоследствии он говорил, ссылаясь на библейский сюжет, что его судьба похожа на судьбу Саула, который отправился искать пропавших ослов своего отца, а нашел царскую корону. Швабе, наблюдая Солнце, надеялся обнаружить новую неизвестную планету, находящуюся, как он надеялся, вблизи Солнца, ближе к нему, чем Меркурий. Для этого он взялся ежедневно (если позволяли погода и здоровье) с немецкой пунктуальностью регистрировать все, даже самые мельчайшие, пятна на солнечном диске, какие только можно было обнаружить в его телескоп. Результаты своих наблюдений он тщательно заносил в журнал. Эти наблюдения Швабе вел на протяжении 43 лет! Это, безусловно, выдающийся научный подвиг. Был накоплен уникальный и чрезвычайно ценный научный материал.

Просматривая свои многолетние записи, в 1843 году он обнаружил удивительную вещь. Число солнечных пятен периодически изменялось! В разные годы их количество существенно отличалось друг от друга. Так, например, в 1828 году Швабе насчитал на Солнце 225 пятен, а в 1833 году – всего 33. В течение 1837 года, согласно наблюдениям Швабе, возникло 333 пятна, а в 1843 году – только 34. Получалось, что число пятен периодически меняется, причем максимумы и минимумы повторяются примерно через 10 лет.

Вот почему предшественники Швабе не могли уловить эту закономерность: чтобы ее почувствовать, недостаточно было изредка смотреть на Солнце; нужно было десятилетиями вести непрерывные наблюдения!

Публикация первого сообщения о цикличном изменении числа пятен на Солнце практически не обратила на себя внимания, – цифрами Швабе мало кто заинтересовался. Бывший аптекарь продолжал наблюдать, уже вполне сознательно обращая внимание на циклические изменения пятнообразовательной деятельности Солнца. Каждый год приносил новые доказательства правоты открывателя. В 1851 году знаменитый естествоиспытатель Гумбольдт издал третий том своего фундаментального труда «Космос», где поместил таблицу чисел солнечных пятен по годам, составленную Генрихом Швабе. Открытый закон выглядел поражающе ясным и убедительным! Количество пятен на Солнце подчинялось могучему «дыханию» светила, существенно (более чем в 10 раз) изменяясь примерно за 10 лет. Были периоды, когда ни одного пятна на Солнце не было видно в течение многих недель, но были и другие периоды, когда Солнце напоминало лицо больного оспой, покрываясь многочисленными группами пятен.

Швабе так и не нашел своих «ослов» – не обнаружил интрамеркурианской планеты (в этом он не одинок – это не удалось до сих пор никому, и надежды на ее существование давно потеряны!), но сделал другое выдающееся открытие. В 1857 году скромный аптекарь, не обладавший особыми познаниями в области астрономии и наблюдавший на более чем скромном телескопе, был удостоен золотой медали Лондонского астрономического общества.

На церемонии вручения в адрес Швабе прозвучали следующие слова:

«12 лет он потратил на удовлетворение своих собственных интересов, шесть следующих лет – на удовлетворение интересов человечества и, наконец, еще 13 лет – на убеждение человечества. В течение 30 лет Солнце никогда не появлялось над Дессау без того, чтобы Швабе не направил на него свой неизменный телескоп, а это происходило, по-видимому, в среднем дней 300 в году. Здесь мы имеем пример преданной настойчивости, не имеющей себе равных в истории астрономии. Настойчивость одного человека привела его к открытию явления, существование которого даже не подозревалось астрономами в течение целых двух столетий…».

Изучение цикличности количества появляющихся на Солнце пятен, начатые Швабе, продолжил швейцарский исследователь Рудольф Вольф (1816–1893). Для уточнения продолжительности цикла солнечных пятен он собрал все возможные данные о наблюдениях Солнца начиная с зарисовок Галилея и Шейнера. Это позволило продлить ряд данных о солнечных пятнах в прошлое. К сожалению, ряд оказался неоднородным, с пробелами и пропусками. Непрерывные наблюдения пятен по тем временам еще не велись, и лишь отдельные работы отдельных энтузиастов частично спасали ситуацию.

Вольфу удалось восстановить ежедневные значения чисел пятен с 1818 года, среднемесячные значения – с 1749 года и среднегодовые – с 1700 года. Число пятен, безусловно, периодически менялось! При этом средний период оказался несколько бóльшим по сравнению с тем, что удалось обнаружить Швабе. Согласно исследованиям Вольфа, солнечный цикл составил в среднем 11,11 лет (сегодня считается, что средняя величина – около 11,2 лет). При этом циклы оказались различающимися по продолжительности – от 7–8 до 17(!) лет.

В 1849 году наблюдался очередной максимум солнечной активности, и очередному циклу, начавшемуся с минимума в 1755 году, был присвоен номер 1. Разумеется, имелось в виду, что это первый из циклов, целенаправленно наблюдавшийся и изучавшийся Вольфом. Нет сомнений, что этому «первому» циклу предшествовали миллионы аналогичных. Но предложенная нумерация (должна же быть какая-то!) принята гелиофизиками и по сей день. Следуя этой нумерации, считается, что в 2009 году начался 24-й цикл солнечной активности.

В 1848 году Вольф предложил для описания уровня солнечной активности свой знаменитый индекс – относительное число солнечных пятен R, или число Вольфа, которое определяется с 1849 года по настоящее время в результате непрерывных ежедневных наблюдений. Индекс вычисляется следующим образом. На солнечном диске подсчитывается число наблюдаемых групп пятен g. После этого находится общее суммарное число f отдельных пятен во всех группах, включая самые маленькие пятна, лишенные полутеней (так называемые поры), и даже отдельные фрагменты тени в пределах одной полутени большого пятна (так называемые ядра). Относительное число пятен равно числу групп g, умноженному на 10, сложенному с числом пятен f.

W = k (10g + f)

Известный исследователь статистических закономерностей пятнообразования на Солнце Георгий Вячеславович Куклин писал, что коэффициент 10 был взят Вольфом не «от фонаря». 10 – это среднее количество отдельных пятен, входящих в группу пятен.

Получившееся число следует умножить на собственный коэффициент k, приписываемый конкретному телескопу. Дело в том, что некоторые телескопы не позволяют разглядеть мелкие поры, и это означает, что число Вольфа может оказаться заниженным. Субъективный разброс при определении числа Вольфа может составить до 25 %! Поэтому международная служба при выводе ежедневных чисел использует суммарные данные многих обсерваторий, и в первую очередь тех, где проводятся тщательные и качественные исследования по выверенной единой методике. Многие десятилетия мировым центром по определению числа Вольфа традиционно оставался швейцарский Цюрих, в настоящее время центром является Королевская астрономическая обсерватория в бельгийском городе Уккле.

Число Вольфа – на первый взгляд, достаточно произвольно сконструированный индекс, – на самом деле оказалось очень удачным. Современные определения уровня солнечного радиоизлучения на волне 10,7 сантиметров, например, показали, что этот индекс и число Вольфа изменяются со временем практически одинаково. Сходным образом меняются и многие другие индексы солнечной активности, поэтому относительное число солнечных пятен остается и по сей день главным, наиболее простым образом определяемым индексом, описывающим уровень солнечной активности.

Оказалось, что среднемесячное число Вольфа на фазе минимума цикла падает почти до нуля, а затем, на протяжении 3–4 лет начинает нарастать. Как и многие другие процессы на Солнце, нарастание происходит быстрее, чем спад. Мой дед, астроном Иван Наумович Язев (1895–1955), в 1943 году обнаружил любопытную закономерность: в среднем продолжительность фазы роста солнечного цикла в √‾2 раза короче фазы спада.

Современные исследования показали, что фаза максимума цикла может продолжаться полтора – два с половиной года. Она нередко бывает двухвершинной: число Вольфа достигает первого максимума (одновременно на диске может наблюдаться до 15–17 групп пятен!), слегка спадает, потом наблюдается вторичный (как правило, не такой высокий, как первый) максимум, после чего начинается длительная (5–6 лет) фаза спада 11-летнего цикла.

Рис. 20. График, представляющий цикличность солнечной активности, выраженную в числах Вольфа. Черным цветом показаны циклы, восстановленные по косвенным данным. Данные на 2005 год.

Вместе с числом групп пятен на Солнце меняется и интенсивность других видов солнечной активности. Синхронно с числом Вольфа меняется площадь факелов (а значит, и флоккулов). На фазе минимума практически не бывает протуберанцев – они лежат на границах областей с разной магнитной полярностью, а в минимуме цикла сильных магнитных полей на поверхности Солнца вообще не видно. Это означает, что в этот период нет (или почти нет) высоких корональных петель. Не бывает без солнечных пятен и вспышек: для их генерации нужны сильные магнитные поля солнечных пятен или как минимум поля уровня факелов (так называемые беспятенные вспышки, очень редко происходящие во флоккулах, никогда не бывают мощными). Это значит, что все основные типы солнечной активности изменяют свое влияние с ходом цикла, вслед за ходом числа солнечных пятен!

Впрочем, это не означает, что в минимуме солнечная активность совсем исчезает. Один из ведущих российских гелиофизиков Владимир Нухимович Обридко настаивает, что солнечная активность присутствует на нашем светиле всегда, только она периодически меняет формы своего проявления! В фазе спада цикла наблюдаются редкие, но обычно самые мощные вспышки в гигантских группах солнечных пятен. В фазе минимума повышается активность так называемых полярных факелов; не исчезают, а порой даже усиливают свою активность корональные дыры; продолжают наблюдаться корональные выбросы массы. (Что загадочно, поскольку их связь, по крайней мере, с некоторыми вспышками надежно установлена, – но при этом бывают выбросы в отсутствие вспышек!).

11-летний цикл солнечной активности отличается дополнительно следующими важными закономерностями. Уже неоднократно упоминавшийся Ричард Христофор Кэррингтон обнаружил, что самые первые группы пятен нового солнечного цикла появляются на высоких широтах, далеко от экватора! Одна из самых высокоширотных групп наблюдалась на широте 44 градуса, – но это редкая экзотика. Развиваясь первоначально на широтах около 30 градусов, становясь все более многочисленными по мере роста солнечного цикла, пятна в среднем начинают появляться на все более низких широтах. В период максимума цикла средняя широта групп пятен оказывается близкой к 16 градусам. Напомним, что скорость вращения на этой широте соответствует, судя по всему, скорости твердотельного вращения глубинных слоев Солнца. К фазе минимума последние пятна возникают совсем близко к экватору – на широтах около 5 градусов. В фазе минимума новые пятна очередного солнечного цикла возникают снова на высоких широтах!

Широтный дрейф в течение 11-летнего цикла детально исследовал немецкий астроном Густав Шперер (1822–1896). Небольшая обсерватория содержалась за счет немецкого правительства, а телескоп с 13-сантиметровым объективом, на котором наблюдал Шперер, был подарен ему лично кронпринцем Фридрихом. Шперер подробно изучил обнаруженный Кэррингтоном эффект. Теперь факт смещения зоны среднего пятнообразования по широте в течение солнечного цикла обычно называют законом Шперера.

В последние десятилетия гелиофизики получили возможность непрерывно определять солнечную постоянную в ходе наблюдений с космических аппаратов. Выяснилась любопытная вещь: помимо колебаний ее значений, связанных с появлением и исчезновением активных областей (от +0,2 до –0,4 %), слегка (всего на 0,1 %) меняется и средний уровень светимости Солнца. Эти колебания происходят синхронно с 11-летним циклом солнечной активности! Другими словами, слегка, в такт с солнечной цикличностью, меняется режим энерговыделения светила. К счастью для нас, эти изменения чрезвычайно малы, но тем не менее, точные измерения демонстрируют их реальность. Несомненно, это отражение глубинных физических процессов в недрах Солнца, суть которых мы пока понимаем не очень хорошо.

Есть еще чрезвычайно важная особенность солнечной цикличности. Если мы будем рассматривать, как расположены в группах пятен магнитные полярности, выяснится следующая закономерность. Все «головные» пятна в активных областях северного полушария в течение всего 11-летнего цикла имеют одну и ту же полярность, соответственно, «хвостовые» пятна – противоположную. В это же время в южном полушарии наблюдается обратная картина: здесь «головная» полярность соответствует «хвостовой» в северном полушарии. Но когда в минимуме цикла начинают появляться первые небольшие группы пятен нового цикла, их можно отличить не только по высокой широте. Магнитные полярности у групп нового цикла оказываются обращенными по отношению к группам старого цикла! Теперь бывшая «хвостовая» полярность в данном полушарии становится «головной». Эта глубокая закономерность, отражающая фундаментальные свойства солнечной активности, была обнаружена в начале XX века в американской обсерватории Маунт Вилсон и получила название закона Хэйла в память о пионере исследований солнечного магнетизма. Учитывая это, гелиофизики иногда говорят не об 11-летнем, а о 22-летнем цикле солнечной активности. За этот период полностью меняется не только число пятен и других проявлений активности, но и их магнитные полярности, и все начинается сначала.

Есть дополнительные аргументы в пользу того, что 22-летний цикл – действительно реальность, а не измышление теоретиков. Обнаружилось, что 11-летние циклы солнечной активности неодинаковы «по высоте»: в максимумах некоторых циклов значения чисел Вольфа оказываются больше, чем в других. При этом выяснилась любопытная закономерность: «высокие» и «низкие» циклы чередуются между собой: как правило, число пятен в максимуме нечетного цикла выше, чем в максимуме четного. На эту закономерность указывали в прошлом выдающиеся гелиофизики Тернер, Людендорф и Вальдмайер. В отечественной научной литературе это свойство солнечной цикличности называют правилом М. Н. Гневышева – А. И. Оля в память об описавших этот феномен известных советских астрономах. При этом следующие друг за другом циклы в каждой паре, похоже, тесно связаны друг с другом: оказывается, по продолжительности предыдущего цикла в паре можно с высокой степенью вероятности предсказать высоту следующего цикла. Таким образом, указанные закономерности являются отражением неких непрерывных магнитных процессов с периодом в 22 года.

Есть ли на Солнце другие периоды? Есть основания считать, что есть, но определить их свойства достаточно сложно: они проявляются вовсе не так явно, как впечатляющие 11-летние изменения всех параметров солнечной активности. Математическая обработка формы кривой, описывающей набор 11-летних циклов, позволяет указать на то, что высоты циклов, похоже, промодулированы более долгопериодическим изменением. Сегодня наиболее надежно выделяется 80-летний цикл. При этом В. Н. Обридко отмечает, что в 11-летнем цикле заметно меняется количество групп пятен, а в 80-летнем цикле – их мощность (например, отражаемая таким параметром, как площадь пятен).

Сбой в правиле Гневышева – Оля (23-й цикл оказался ниже предыдущего, вопреки ожиданиям) московский гелиофизик Виталий Никитич Ишков считает связанным с тем, что на этот период пришелся минимум в вековом (80-летнем) цикле активности. Следующий, 24-й, цикл оказался еще более низким – похоже, солнечная активность вступила в эпоху «низких» циклов. Косвенные данные, кроме того, указывают на то, что, возможно, существует и 2400-летний цикл солнечной активности. Высота (амплитуда) долгопериодических циклов, видимо, невелика по сравнению с 11-летним циклом.

Рис. 21. Изменения чисел Вольфа во время 24-го цикла солнечной активности. Сглаженные данные.

Есть доп. данные для отрисовки (в excel), там числа для графика. На горизонтальной оси поставить годы: в самом начале – 2009, под вторым максимумом – 2014.

Насколько стабильно 11-летнее «дыхание» Солнца? На протяжении последних двух столетий оснований сомневаться в этом не было. Но в прошлом, причем не таком уж далеком, наблюдались странные события. На протяжении 70 лет, в период с 1645 по 1715 год, должно было уместиться как минимум шесть 11-летних циклов. К сожалению, в этот период солнечные пятна систематически никто не наблюдал! Но данные отдельных, отрывочных наблюдений, а также многих косвенных данных (в частности, пониженного числа полярных сияний, которые тесно связаны с солнечной активностью) говорят о том, что в это время на Солнце почему-то было аномально мало пятен! Известные гелиофизики Юрий Иванович Витинский, Милослав Копецкий и Георгий Вячеславович Куклин писали, например, о том, что можно сделать вывод о «затоплении» 11-летних циклов в этот период: некоторое (пониженное) количество пятен наблюдалось только в период максимумов, а в остальное время пятен на Солнце практически не было. В честь Эдварда Уолтера Маундера (1851–1928), который в начале ХХ века подробно исследовал этот феномен, загадочный период пониженной солнечной активности в середине XVII – начале XVIII века теперь принято называть маундеровским минимумом.

Все, что на сегодняшний день известно о маундеровском минимуме, позволяет считать, что пятна на Солнце в это время не пропадали совсем, но их число было по крайней мере в 2–3 раза меньше, чем в обычных циклах. При этом, если не прекращали действовать другие выведенные для обычных циклов закономерности, зоны пятнообразования не удалялись от солнечного экватора дальше, чем на 10–12 градусов. В этот период, согласно выводам Г. В. Куклина, правило Гневышева – Оля чаще нарушалось, чем соблюдалось. В то же время пулковский гелиофизик Юрий Анатольевич Наговицын отмечает, что за последние 400 лет природа неукоснительно следовала этой закономерности…

Судя по некоторым данным, маундеровский минимум был не единственным событием подобного рода, теряющимся в глубине веков. Говорят, например, о минимуме Шперера (1420–1530), минимуме Вольфа (1280–1340), минимуме Оорта (1010–1050), а также недавних неглубоких минимуме Дальтона (1790–1830) и минимуме Гневышева на рубеже XIX и XX веков. Судя по всему, в настоящее время начинается очередной неглубокий (впрочем, как знать!) минимум солнечной активности.

Причина возникновения маундеровского минимума (как, впрочем, и остальных минимумов) на сегодняшний день остается неизвестной, но некоторые идеи на этот счет, несомненно, есть! Первоначально выдвигалась гипотеза о том, что режим солнечной активности резко изменился из-за внезапного увеличения угловой скорости вращения вблизи Солнца и усиления дифференциальности вращения (по неизвестной, опять-таки, причине!). Однако позднее было показано, что данные о росте скорости вращения в период маундеровского минимума оказались ошибочными. Кроме того, исследователь из Уссурийской астрофизической обсерватории Владимир Федорович Чистяков в 1982 году продемонстрировал свои результаты, из которых следовало, что Солнце вообще имеет склонность несколько увеличивать скорость вращения в период минимумов 11-летних циклов, но это ни к каким катастрофам не приводит.

Выдвигалась даже революционная идея, что 11-летний цикл – это вообще недавняя «выдумка» Солнца, и до 1715 года его просто не было! Однако множество косвенных данных опровергают эту гипотезу.

Г. В. Куклин в 1982 году предложил идею «смены режима» динамической системы, определяющей циклические свойства процесса образования пятен на Солнце. Видимо, так оно и было. Но причины «смены режима» на светиле остаются туманными. Впрочем, возможно, как предполагали ранее многие авторы, здесь применима модель системы типа так называемого «странного аттрактора». «Странный аттрактор» – это система, способная внезапно, под влиянием слабых случайных изменений ее параметров, вдруг переходить в качественно другое состояние, – а потом так же стремительно возвращаться в прежнее. Такие системы описываются математической концепцией, которая называется теорией катастроф.

Но все это означает, что маундеровский минимум не может быть редким исключительным явлением! Не исключено, что Солнце способно функционировать не только в привычном для нас сегодня режиме, но может в одночасье переключаться на иной режим. Заметим, что, может быть, и неплохо, что светило переключалось на режим пониженной солнцедеятельности. Кто знает, существуют ли иные режимы с уровнем солнцедеятельности повышенной? И не было ли в нашем далеком прошлом случаев подобных переходов между разными режимами? Окончательной теории этих процессов на сегодняшний день не существует. А гипотезы, конечно же, есть…

Обратимся теперь к непростому вопросу о причинах солнечной активности. Что порождает эти грандиозные циклические изменения на Солнце? Что приводит к формированию мощных локальных магнитных полей в недрах светила, которые, всплывая к фотосфере, формируют здесь активные области и прочие многочисленные явления солнечной активности?

Одна из первых идей по этому поводу заключалась в том, что на Солнце влияют вращающиеся вокруг него планеты. Еще задолго до обнаружения феномена цикличности солнечной активности, в 1612 году, Галилей выдвигал предположение, что условия образования пятен как-то связаны с влиянием планет. Близость 11-летнего периода солнечной активности периоду обращения вокруг Солнца крупнейшей планеты Солнечной системы – Юпитера – была подмечена еще Вольфом, который считал, что на 11-летнюю волну Юпитера накладывается более слабая 29-летняя волна Сатурна, а Венера и Земля добавляют короткопериодические возмущения. Впрочем, впоследствии Вольф отказался от этой идеи, справедливо сочтя, что она неубедительна.

Попытки объяснять солнечную активность влиянием планет делались отдельными исследователями и в ХХ веке (в их числе, например, был мой дед Иван Наумович Язев, а также пулковский астроном Галина Яковлевна Васильева). Однако эта концепция не подтверждается никакими идеями о действующих механизмах, вызывающих предполагаемое влияние. Кроме того, такие эффекты, как закон Шперера и магнитная переполюсовка в соседних циклах, воздействием планет никак не объясняются. С другой стороны, мизерная (по сравнению с Солнцем) суммарная масса всех планет должна давать ничтожный приливный эффект на Солнце, энергетика которого значительно ниже энергии, требуемой для формирования проявлений солнечной активности.

Пятна объяснялись в разные времена по-разному – от идеи «антициклонов» в атмосфере Солнца (Эгон Оппольцер) до идеи иллюзий, оптических эффектов типа рефракции света (Август Шмидт). На сегодняшний день основной парадигмой, объясняющей феномен солнечной активности, является так называемая теория динамо. Многие наблюдаемые факты объясняются с ее помощью вполне удовлетворительно. Немаловажным соображением является то, что в результате действия тех процессов, которые царят в глубинах Солнца, явления, описываемые теорией динамо, должны возникать неизбежно, согласно известным законам физики. А это значит, что отвергать их нельзя (они все равно есть!). Требуется лишь понять в деталях, как работает этот грандиозный механизм.

Рис. 22. Внешние области Солнца толщиной около 30 % от радиуса охвачены конвекцией. В более глубоких слоях конвекции нет. Стрелками показано неоднородное вращение. Оно генерирует тороидальное магнитное поле (тонкие линии), опоясывающее Солнце по долготе. Всплывание жгутов магнитного поля и выход их на уровень поверхности (фотосферы) приводит к появлению пятен.

О теории динамо в настоящем разделе книги рассказывает один из крупных специалистов в этой области, мой коллега по Институту солнечно-земной физики СО РАН, доктор физико-математических наук Леонид Леонидович Кичатинов.

Итак, слово доктору Кичатинову.

«Происхождение цикла солнечной активности связывают с процессами, происходящими в конвективной зоне Солнца. Здесь, во внешнем сферическом слое толщиной около 30 % солнечного радиуса, происходит интенсивное перемешивание вещества, или конвекция (см. рис. 22). Генерация магнитных полей солнечного цикла требует затрат энергии. Считается, что магнитным полям передается часть энергии конвективных движений.

Сам процесс генерации магнитных полей называют гидромагнитным динамо, или просто динамо. Этот термин когда-то использовался в электротехнике, затем вышел из употребления. На рубеже 40–50-х годов ХХ века термин «динамо» снова вошел в употребление для обозначения процессов генерации магнитных полей в результате движений проводящих жидкостей.

Кроме конвекции в солнечном динамо участвует также дифференциальное, или неоднородное, вращение (которое, впрочем, также поддерживается конвекцией). Напомним, что экваториальные области Солнца вращаются быстрее полярных, причем период вращения монотонно возрастает с широтой и увеличивается от экватора к полюсам приблизительно на 30 %.

Для рассмотрения солнечного динамо нам потребуется ввести понятия так называемых полоидальных и тороидальных магнитных полей. И те и другие поля обладают симметрией относительно оси вращения.

Силовые линии полоидального поля лежат в плоскостях меридиональных сечений Солнца. Подобные поля создаются, например, обычным магнитным стержнем или кольцевым током. Силовые линии полоидального поля изображены на крайней слева и крайней справа частях рис. 23.

Тороидальные поля имеют лишь долготную (азимутальную) составляющую. Силовые линии такого поля опоясывают наше светило по долготе перпендикулярно меридианам Солнца (см. рис. 23).

Рис. 23. Схема действия солнечного динамо. Неоднородное вращение приводит к формированию тороидального поля из полоидального. Затем альфа-эффект генерирует из тороидального поля полоидальное, но противоположное исходному. В результате во время максимума цикла активности полоидальное поле меняет полярность. После этого неоднородное вращение начинает генерировать тороидальное поле, противоположное имеющемуся. Поэтому тороидальное поле исчезает (достигается минимум цикла активности) с полоидальным полем противоположной полярности по отношению к предыдущему минимуму (отрисовать).

Дифференциальное вращение вытягивает, увлекает за собой силовые линии полоидального поля. В результате у поля появляется тороидальная компонента. Этот простой процесс генерации тороидального поля из полоидального получил название омега-эффекта (буква Ω греческого алфавита традиционно используется для обозначения угловой скорости вращательного движения).

Механизм динамо включает в себя и обратное преобразование – процесс превращения тороидального поля снова в полоидальное. Такое преобразование выполняют конвективные течения. Дело в том, что конвективная зона Солнца сильно неоднородна. Давление и плотность здесь быстро возрастают с глубиной. Поэтому объемы солнечного вещества, поднимающиеся к поверхности, расширяются, а движущиеся вглубь Солнца – наоборот, сжимаются.

Так как эти объемы участвуют в глобальном вращении Солнца, все они получают некоторое количество углового момента и стремятся его сохранить. Поэтому опускающееся вещество приобретает собственное вращение, совпадающее по направлению с общим вращением Солнца. Это явление хорошо знакомо каждому, кто наблюдал соревнования по фигурному катанию: фигурист вращается с разведенными в сторону руками, затем прижимает руки к туловищу – и скорость вращения увеличивается (см. рис. 24).

Рис. 24. Иллюстрация альфа-эффекта. Собственное вращение поднимающихся из недр конвективной зоны объемов вещества приводит к формированию петель полоидального поля из исходного тороидального поля. Опускающееся вещество создает такие же петли.

По тем же причинам поднимающиеся объемы вещества расширяются и приобретают собственное вращение в направлении, противоположном общему вращению Солнца. Увлекая за собой силовые линии тороидального поля, такие движения будут формировать «магнитные петли», как это показано на рис. 24. При этом собственное вращение участвующих в конвекции объемов вещества приведет к повороту петель таким образом, что в них снова появится полоидальная (вдоль направления меридиана) составляющая.

Легко понять, что хотя поднимающиеся и опускающиеся объемы вращаются в противоположных направлениях, формируемые ими петли полоидального поля подобны, т. е. они будут иметь одинаковую ориентацию магнитного поля! Данный процесс формирования полоидального поля из тороидального конвективными движениями получил названия альфа-эффекта.

Еще два обстоятельства, касающиеся этого эффекта, требуют пояснения. Во-первых, для образования глобального полоидального поля из отдельных петель должно произойти их слияние друг с другом. Этому процессу динамо способствует диффузия (сглаживание) магнитного поля. Во-вторых, собственное вращение конвективных объемов в северном и южном полушариях происходит в противоположных направлениях. Дело в том, что переход от одного полушария к другому равнозначен по сути изменению направления глобального вращения. Поэтому если бы в северном и южном полушариях тороидальное поле имело одинаковое направление, то создаваемые альфа-эффектом в этих полушариях полоидальные поля были бы противоположны.

На Солнце, однако, реализована обратная ситуация! Тороидальные поля северного и южного полушарий имеют как раз противоположные направления. При этом альфа-эффект приводит к появлению одинаковых по направлению полоидальных полей в обоих полушариях. Эти поля легко объединяются, формируя новое общее полоидальное поле Солнца.

Теперь можно перейти к рассмотрению солнечного цикла. Последовательность происходящих в нем событий схематически показана на рис. 23.

Предположим, что в некоторый момент времени на Солнце преобладает полоидальное поле, а тороидальное поле сравнительно мало. Такую ситуацию мы наблюдаем в фазе минимума магнитной активности Солнца, изображенной на крайней слева картинке рис. 23. Дифференциальное вращение с помощью омега-эффекта начинает генерировать из полоидального поля тороидальное, имеющее противоположные в северном и южном полушариях направления (вторая часть рис. 23). С появлением тороидального поля включается альфа-эффект, который, в свою очередь, начинает создавать полоидальное поле, противоположное исходному. В результате суммарное полоидальное поле на Солнце начинает уменьшаться, однако, даже уменьшившись, оно будет продолжать усиливать тороидальное поле из-за омега-эффекта.

В конце концов, полоидальное поле исчезает. В этот момент тороидальное поле достигнет максимальной величины! Эта ситуация соответствует эпохе максимума 11-летнего цикла солнечной активности. Дело в том, что омега-эффект для Солнца гораздо сильнее альфа-эффекта, поэтому и тороидальные поля оказываются значительно больше полоидальных. Собственно, именно они и определяют магнитную активность! Считается, что всплывание жгутов тороидального магнитного поля и их появление на солнечной поверхности приводит к образованию солнечных пятен (рис. 22, слева).

Рассмотрим дальнейшее развитие солнечного цикла. С исчезновением полоидального поля действие альфа-эффекта не прекращается. В итоге зарождается новое полоидальное поле (третья часть рис. 23). Его направление будет противоположно исходному полоидальному полю. При этом происходит так называемая «переполюсовка» – смена знака магнитного поля на полюсах Солнца. Но с появлением нового полоидального поля снова включается омега-эффект! А это означает, что неизбежно начнется генерация нового тороидального поля, противоположного по направлению имеющемуся тороидальному полю. Поэтому тороидальное поле начнет уменьшаться. Следовательно, определяемая этим полем солнечная активность вступит в фазу спада.

Важно, что при этом действие альфа-эффекта не прекращается, что приводит, в свою очередь, к усилению нового полоидального поля. Так будет продолжаться до тех пор, пока не исчезнет тороидальное поле. Солнце приходит к новому минимуму активности с обращенным полоидальным полем (см. рис. 23, справа).

Дальнейшее действие солнечного динамо повторит уже рассмотренный цикл, но с противоположным направлением магнитных полей. После этого система вернется к состоянию, с которого началось наше обсуждение солнечного цикла. Этот процесс, по всей вероятности, начался на Солнце около четырех миллиардов лет назад и будет продолжаться еще приблизительно столько же.

Рассмотренная схема, разумеется, дает лишь общее и довольно поверхностное представление о солнечном динамо. Реальные процессы намного сложнее. Обращение направлений тороидальных либо полоидальных полей происходит в различных областях Солнца в разные моменты времени, а не на всем Солнце одновременно. Тороидальные поля по мере развития магнитного цикла мигрируют к экватору, а вместе с ними перемещаются к экватору и области появления новых солнечных пятен (закон Шперера). Полоидальные поля, напротив, рождаются на низких широтах и затем мигрируют к полюсам.

Механизм солнечного динамо не до конца понятен ученым. До сих пор между ними имеются разногласия, в том числе и весьма существенные. Детальную картину магнитной активности можно получить с помощью сложных математических расчетов, проводимых на современных компьютерах. Надо признать, что результаты таких расчетов далеко не во всем согласуются с наблюдениями.

Тем не менее, показанная на рис. 23 схема солнечного цикла позволяет понять основные наблюдаемые явления – это изменение знака полярных полей в максимуме активности, факт наличия противоположных полярностей групп солнечных пятен, находящихся в северном и южном полушариях Солнца (это связано с изменением направления тороидального поля при переходе через экватор). Кроме того, приведенный сценарий объясняет полное обращение направления глобального магнитного поля Солнца за два последующих 11-летних цикла активности.

Итак, под воздействием дифференциального вращения, которое порождается конвекцией, в недрах конвективной зоны осуществляется процесс непрерывных циклических изменений магнитного поля: полоидальное превращается в тороидальное, которое порождает многочисленные явления солнечной активности. Эволюция тороидального поля приводит к его постепенному затуханию. Часть энергии передается полоидальному полю (но уже с обратным знаком), которое по мере исчезновения тороидальных полей, наоборот, усиливается.

Такие параметры Солнца, как его размеры, габариты конвективной зоны, скорость вращения, характеристики дифференциального вращения и многое другое, определяют скорость протекания данных процессов. Этими параметрами и определяется в конечном итоге периодичность в 11 лет, которая требуется для завершения полуцикла полного обращения магнитного поля. Обеспечение всех этих процессов энергией осуществляется конвекцией, которую, в свою очередь, поддерживает непрерывный поток энергии из глубин Солнца, – пока там текут термоядерные реакции».

Как указал выше Л. Л. Кичатинов, многое в этих процессах уже понятно, но остается много неясного. Во всяком случае, такие явления, как маундеровский минимум и другие подобные сбои режима генерации солнечной активности, а также существование более длинных периодов (80 или 2400 лет), еще требуют объяснения. Еще раз хочется подчеркнуть: мы знаем о Солнце очень много, о многом догадываемся, но целый ряд существенных деталей жизни светила остается для нас загадочным. Работы для гелиофизиков хватит еще надолго.